无针注射技术(needle-free injection technology, NFIT)是指药物在压力源作用下形成高速喷射流, 透过皮肤到达合适深度的药物递送技术。NFIT可以递送液体、粉末和储库型制剂, 具有防止意外针刺伤、提高药物生物利用度、消除针头恐惧、增加疫苗免疫效果、简化操作及易于患者自用等优势, 是一种非常有潜力的递送药物方式。本文系统介绍了NFIT的研究背景、无针注射器的结构组成及可递送药物、影响注射效果的因素, 并且总结了目前该技术的局限性和发展方向, 为NFIT的应用和发展提供理论基础。
使用针头注射递送药物是现代医学中最常见的方法之一, 统计数据显示, 全世界每年至少有160亿次预防性和治疗性注射, 美国2岁儿童平均接受26剂次疫苗接种, 以预防脊髓灰质炎、麻疹、天花、流感、霍乱和肝炎等疾病。但针头注射存在相应的缺点, 全世界约有3%~4%的人患有严重的针头恐惧症, 青少年群体中有20%~50%表现出针头恐惧。在英国, 由于针头接种新冠疫苗而产生犹豫心理的群体占11.5%, 注射针头引起的疼痛和恐惧会严重影响患者的接受意愿。其次, 在使用、回收及销毁注射针头时, 相关经济和人力成本非常高, 卫生人员与患者发生意外针刺伤的后续治疗费用约为500至3000美元。然而, 由于针头注射能够高效地实现肌肉、皮下或静脉递药, 寻找针头注射的替代方式成为研究的热点。
经皮给药是指通过皮肤进行药物递送的给药方式, 药物到达其靶点的过程中不发生损失, 能够增强药物递送效率, 持续释放药物, 并最大限度地减少不良反应。与口服和注射给药相比, 经皮给药具有可及性和表面积大的优点, 还可以避免胃内炎症、肝脏的首过消除及患者依从性差等口服给药问题。皮肤角质层分子量大, 密度高, 实践中利用被动扩散作用递送药物仅限于亲脂性和低分子量药物, 且递送效率有限。通过物理或化学的方式破坏皮肤角质层的方式可以增加药物被动递送效率, 包括激光消融皮肤、离子电渗、电穿孔、超声波给药等方式。这些技术使药物更好地穿透角质层, 提高了被动扩散递送药物在临床试验中的疗效, 但却存在递送效率有限、损伤皮肤、装置复杂等缺点。无针注射技术(needle-free injection technology, NFIT)是指利用压力源产生的瞬时高压, 使注射器内的药物通过喷嘴形成高速、高压的喷射流, 通过皮肤外层到达合适深度吸收发挥药效的注射技术。与针头注射和被动递送药物的经皮给药方式相比, NFIT可以实现皮内、皮下和肌内注射, 发挥局部或全身的治疗作用, 药物递送效率好、剂量精准、吸收更快, 在部分领域作为针头注射的替代方案越来越受研究人员的重视。以肌内注射深度为例, 针头注射和无针注射的示意图如图1所示。
Figure 1 Comparison of needle and needle-free injection
1、1NFIT的发展历史和优点
NFIT的概念起源于19世纪, 但是首个现代意义上的无针注射器(needle-free jet injector, NFJI)专利直到1936年才出现。20世纪40到60年代, NFJI被美国军队广泛用于天花、乙肝、麻疹、霍乱、脊髓灰质炎等疫苗接种, 其接种效率高达每h1000人次。20世纪末, 由于混用喷嘴、注射回流和回吸等问题引起的交叉感染风险, 混用喷嘴被WHO禁止使用。21世纪初, 1次性喷嘴的出现解决了交叉感染的问题, NFJI迎来新的发展时期。关于NFIT发展的时间线如图2所示。
Figure 2 History of needle-free injection technology (NFIT). NFJI: Needle-free jet injector
NFIT具有以下优点: ①防止皮肤穿刺伤, 不易引起出血、擦伤及皮肤局部反应; ②可以快速给药, 并且注射剂量精准, 有良好的重复性; ③有良好的剂量反应关系, 提高药物的生物利用度; ④避免药物在注射过程中受复溶及剪切效应影响; ⑤操作简单, 消除针头恐惧症, 患者可以自我使用; ⑥提高机体对疫苗的免疫反应; ⑦可以用于大分子药物注射, 促进核酸、蛋白质类药物递送技术的发展; ⑧增加药物的给药形式, 可以实现干粉状态递送水敏感药物。
2、NFJI的结构组成及研究进展
NFJI的结构通常由药物室、喷嘴和压力源3个部分组成。按压力源NFJI可以分为机械力、电力和光学力驱动3种, 由机械力和电力驱动的NFJI结构中设置推进活塞对药物进行加速形成高速射流, 由于作用机制不同, 以光学力作为压力源的NFJI, 不包含推进活塞结构。含有推进活塞的NFJI简化结构如图3所示。目前国内外上市及处于研究阶段的NFJI归纳于表1中。
2.1药物室
药物室的作用是在高压条件下储存待注射的药物, 通常由耐用、质轻、高强度的惰性热塑性材料聚碳酸酯或聚丙烯制成, 如QS-M、ZENEO®, 使其耐高压、不与药物相互作用、具备足够的机械强度。早期的NFJI的药物室储液容量(约4mL)和单次注射体积均为固定值, 如Tropis®单次注射体积为0.1mL, Stratis®为0.5mL。随着技术的发展, 新设计的NFJI的药物室可通过外接储液器扩容至3~12mL甚至更大容量, 单次注射体积也可以根据病情需要进行调整, 如Comfort-in™单次注射体积可在0.01~0.5mL内调整, QS-M可以1次取药多次注射, 为患者自行操作提供了极大的便利。
目前市场上大部分NFJI通常由手动操作将药物吸入到药物室中, 与针头注射的药物装载相似, 如Biojector 2000、Injex、QS-M等。部分NFJI被设计为预充式装载药物, 如ZENEO®及Sumavel® DosePro™, 其使用操作简单快速, 在院外环境及突发情况下的应用具有独特优势。
2.2喷嘴
喷嘴是药物喷射注射的出口, 也是与皮肤接触的部位。20世纪40到60年代, 多用途喷嘴最先应用于NFIT, 被广泛用于天花、乙肝、麻疹、霍乱、脊髓灰质炎等疫苗接种。尽管多用途喷嘴因为交叉感染的风险被禁用, 但其在消灭天花的过程中功不可没。随着1次性喷嘴的出现, 交叉感染的问题被解决, NFIT的发展进入新时期。需要注意的是, 对于有针或无针注射, 共用针头或1次性喷嘴, 均有交叉感染的可能。
现有NFJI的喷嘴孔直径为4~300μm之间, 常用喷嘴直径为150μm, 与30号皮下针相当, 因此注射时几乎无痛。合适的喷嘴结构利于穿透皮肤, 减少疼痛, 是平衡注射深度与注射疼痛之间的关键因素之一。Mohizin等以压缩气体驱动的AirJet™为模型, 评价药物室直径、喷嘴直径、喷嘴长度和喷嘴入射角等关键几何参数变化对注射深度的影响。通过计算流体动力学, 评价得到AirJet™的最佳喷嘴直径为200~250μm, 提出了喷嘴的最佳入射角为10°。同样大小的注射压力下, 喷嘴孔直径越小, 射流强度越高, 注射深度越深。但喷嘴孔直径过小, 会降低注射效率, 可能导致药物室内压力过大, 从而损害NFJI的结构。目前针对NFJI不同的注射深度的改造集中在提供不同的压力源上, 但改造喷嘴结构也可以作为一种成本低、操作简单、提供不同注射深度的一种可选方式。
2.3压力源
NFJI根据压力源的不同, 可以分为机械力、电力、光学力驱动3类, 其特点见表2。机械力与电力通过活塞提供压力, 而光学力通过产生气泡提供压力。采用活塞结构的NFJI穿透特性取决于活塞速度, 运动特性可以用方程式(1)表示。设置为高压的NFJI通常产生95~125 bar的压力来提供更强的穿透能力, 但注射压力过大可能会引起注射疼痛。低压条件的压力通常为9~11bar, 在保持合适穿透深度的同时几乎不产生痛感。
其中, FD(t)是驱动力, Ff(t)是摩擦力, p(t)是活塞运动产生的流体阻力, mp和Ap分别是活塞质量和表面积。在t= 0 时, 活塞位移xp = 0, 活塞的速度dxp/dt = 0。
2.3.1 机械力驱动
最先设计的NFJI是由机械力驱动的, 包括压缩弹簧与压缩气体驱动, 如Stratis®、Biojector 2000等。弹簧动力驱动产生喷射流的体积为10~500μL不等, 可以调整活塞摩擦和弹簧压缩, 控制喷射流的速度范围, 通常为80~200m·s-1。压缩弹簧提供的加速过程是非均匀的, 降低了喷射流的喷射过程的可预测性, 并增加了输送过程的复杂程度。因此, 大多数弹簧动力的NFJI注射深度为皮下或肌内。弹簧驱动NFJI系统的数值模型见方程式(2)。
其中, k是弹簧的弹性系数。
使用压缩气体更适合将较大体积(>50μL)的药物输送到皮下脂肪和肌肉, 如Biojector2000使用压缩CO2, Sumavel® DosePro™使用压缩N2, AirJet™使用压缩空气等, 其代表性射流速度为300m·s-1, 且可以由压缩气体的体积进行控制。气体发生器通常是1次性提供压缩气体, 如Actranza™使用火药, ZENEO®使用硝化纤维素, 调节用量可改变注射深度。
2.3.2 电学力驱动
电学力驱动是指通过可变电压, 通过压电效应和洛伦兹力控制活塞, 注射过程可控, 可以形成前段快(约100m·s-1), 末段慢(约20m·s-1)的喷射流, 控制注射深度的同时减少注射回流。压电效应驱动是指压电元件随电压快速产生形变, 控制活塞完成射流加速, 其电压的范围常为30~150V, 峰值电流达到4A, 这使注射设备非常昂贵, 体积庞大, 注射效率低下, 单次注射体积为2~15nL, 注射频率为1Hz。压电致动器的驱动力FD(t)见方程式(3)。
其中, V(t)代表电压, kact是压电系数, Xmax是在Vmax下压电致动器的最大形变量。
洛伦兹力驱动是指使用通电线圈驱动活塞移动, 如PRIME注射器, 现已经证明其在大腿上侧和腹部注射的安全性, 能够递送黏度高达60cP的液体, 提供的驱动力FD(t)见方程式(4)。其局限性在于单次注射体积较小(10~100nL), 注射深度较浅(1~10mm), 目前难以实现大体积及皮下或肌内注射。
其中, I是电流, B是磁场, l是一个矢量, 其大小等于沿电流的方向导线的长度。
2.3.3 光学力驱动
近10年, NFJI开始探索光学力作为压力源, 注射过程包括: ①激光通过透镜聚焦在充满液体的药物室内形成等离子体; ②等离子体吸收能量产生气泡; ③气泡生长和形成喷射流; ④药物室内气泡消失, 液体恢复静止。
脉冲激光器或连续激光器2种压力源的特征见表3。脉冲激光器通常在飞秒到微秒级别的时间内提供100μJ到1J的能量, 脉冲持续时间越短, 能量吸收及气泡生长越快, 喷射流的速度越快, 但脉冲激光器价格昂贵, 且体积大, 限制了其应用与发展。现有的脉冲激光器包括Nd: YAG激光器(532/1064nm, 7ns)、Er: YAG激光器(2940nm, 250μs)和Krizek等设计的激光器(1570nm, 6ns)。其中Mirajet®使用Er: YAG激光器已应用于皮肤重塑及美容领域。连续波激光器的输出功率相对较低, 液体在数毫秒内吸收能量, 温度超过沸点, 形成蒸汽气泡, 即热空化效应。连续波激光器体积更小、更便宜, 不需要主动冷却, 是一种较为理想的压力源。然而, 由于热空化只依赖于线性吸收, 需要激光波长和液体相匹配产生较高的吸收系数(α≈100cm-1), 如近红外光与硫酸铜溶液、蓝色激光与直接红81染料等。另外, 连续波激光器存在腐蚀性、安全性、微流控制等方面问题, 其发展仍需要进一步实验。
3、NFJI的应用及分类
NFIT具有防止意外针刺伤、提高药物生物利用度、消除针头恐惧、增加疫苗免疫效果、简化操作及易于患者自用等优势, 国内外目前已广泛应用于疫苗接种、糖尿病管理、皮肤病治疗、医疗美容、局部麻醉、基因治疗、纳米药物递送等领域。根据NFJI递送的药物形态不同分为液体、粉末和储库型制剂。液体(图4A)和粉末(图4B)为NFJI的注射过程如图4所示。
Figure 4 Schematic of working principle of NFJI. A: Liquids; B: Powders. a: Fluid inside the injection chamber is energized by the impact of the piston, resulting in the formation of a fluid microjet at high velocity; b: High-velocity fluid microjet initiates skin hole formation upon impact with the outer skin surface; c: The depth of the skin hole increases with the continuous impaction of the high-velocity fluid microjet; d: After a critical hole depth is reached, fluid from the impacting microjet starts accumulating. This stops further penetration of the microjet fluid vertically, and instead, spherical dispersion of the fluid inside skin layers occurs
3.1、液体制剂
液体制剂是NFIT应用的首个领域, 也是目前研究最深入、开发最多的领域。为防止皮肤表面形成的孔重新密封, 液体射流应该为连续射流, 同时在液体射流末段压力必须迅速下降, 防止形成的注射通道过深, 对皮肤组织造成伤害及痛感。根据使用目的不同, 无针液体注射剂主要可以分为治疗性、反应性和惰性注射剂。
3.1.1 治疗性注射剂
治疗性注射剂主要包括与身体相互作用的药物, 通常是治疗体积小、效价高、作用于局部或全身的药物, 如胰岛素、疫苗、生长激素、核酸、麻醉药物、单克隆抗体、抗菌药物等。在胰岛素注射方面, 使用NFJI的主要目的是消除针头恐惧, 如Insujet™、QS-M等, 其操作简单、剂量精准的特性对糖尿病患者来说非常友好。目前国内的相关研究主要是压缩弹簧驱动的QS系列, 多项研究证明应用NFJI能有效管理血糖, 降低疼痛, 起效更快, 控制血糖效果更佳。在疫苗接种方面, 利用ZetaJet™、Biojector2000等可以增强免疫应答, 减少接种的剂量, 提高接种效率, 并且减少针头恐惧症, 有助于大规模接种。Mao等针对新冠病毒使用QS-P建立了mRNA脂质纳米粒疫苗的疫苗递送系统。除此以外, 利多卡因、丁卡因等局部麻醉药物可以通过MedJet MBX、Comfort-in™等NFJI更快地发挥局部麻醉作用, 生长激素可以通过QS-K、ZOMA-Jet10、Medi-Jector®注射, 并显示出相同甚至更好的治疗作用。体外研究数据显示, DosePro™可以有效地递送阿达木单克隆抗体。NFJI还可以递送维生素、抗生素、肉毒毒素、博来霉素等液体治疗性注射剂。除了常规的液体注射剂以外, Schlich等评价了Comfort-in™递送双氯芬酸纳米晶混悬液的镇痛效果, 证明NFJI可以递送纳米混悬液剂型。
3.1.2 反应性注射剂
反应性注射剂主要是指含有生物标记物的医学文身。生物标记物对身体不产生治疗效果, 但与组织中含有的物质发生相互作用, 被动地监测特定生物分子的浓度, 如葡萄糖、抗体、pH值、各种电解质或过量紫外线照射, 一旦浓度超出指定范围, 可以观察到文身的颜色发生变化。相比于治疗性注射剂来说, 反应性注射剂的健康风险小得多。目前医疗文身技术尚未完全开发, 注射过程中生物标记物的降解可能是限制该技术发展的障碍之一, 但是该技术在糖尿病、酸碱稳态、肝功能护理等方面的应用前景十分广阔。
3.1.3 惰性注射剂
惰性注射剂是指不含治疗性活性化合物, 对于人体组织不发挥临床作用的制剂, 其应用实例包括永久妆容和其他医疗美容注射。惰性注射剂受加热或剪切应力而降解的风险非常低, NFIT赋予的高速射流可以拉伸成纤维细胞, 激活生长因子, 减少胶原蛋白的分解。透明质酸和生理盐水经INNOjector™、AirJet™、Airgent™等注射可以用于治疗凹陷性瘢痕、肥厚性瘢痕、皱纹等皮肤损伤。NFIT递送惰性注射剂还可以用于乳房切除术后模拟乳头、美化疤痕或胎记, 在减少对皮肤伤害的同时显示出更高的递送效率。
3.2粉末制剂
递送粉末药物的NFJI通常是利用轻质气体(如氦气)作为压力源, 通过活塞推动药物室内的固体药物形成喷射流。除应用于固体疫苗接种外, Li等探索使用NFJI递送胰岛素固体粉末, 并评估其有效性和刺激性。粉末可以通过压缩、碾磨、筛分或喷雾干燥、冷冻干燥、流化床干燥等制粒技术形成。理想的粉末注射内容物在满足质量合适、理化性质稳定、药物与辅料相容以外, 还应考虑到以下几点因素: 第一, 为保证药物颗粒的穿透性, 粉末的颗粒粒径分布应该相对均匀, 平均颗粒密度必须约为1g·cc-1, 平均直径必须大于20μm; 第二, 药物颗粒应足够坚固, 能够耐受喷射及与皮肤碰撞时的速度变化过程(喷射速度通常为400~600m·s-1); 第三, 药物颗粒应在皮肤内有适当的扩散性。除了无针注射技术共有的优点以外, 以固体剂型递送药物或疫苗的治疗效果通常更稳定, 并且不需要冷链储存, 甚至可以通过溶蚀载体实现缓释效果。
3.3储库型制剂
储库型制剂一般是指通过非肠道途径给药的埋植或可注射的缓控释制剂, 根据需要的药量将蛋白质、抗体等活性物质以储库型制剂的形式递送至体内, 在需要的时候可以实现连续释药。通过药物或者惰性材料的支撑使制剂具有一定的机械强度, 以满足其耐受高压、穿透皮肤达到合适的深度的要求。一般情况下, 储库型制剂为肌内注射, 形成一个直径约为1mm, 长度几毫米的带尖端的圆柱体, 仅需要很小的压力就可以完成注射。囊泡水凝胶是一种高黏度的储库型制剂, 具有很强的生物相容性, 适用于蛋白质和多肽的加工, Breitsamer等使用Biojector2000完成注射后, 未发现与针头注射器有明显差异。储库型制剂是一种先进的递药系统, 但是目前关于NFIT在此领域内的研究仍有待探索。
4、影响注射效果的因素
影响注射效果的因素主要包括皮肤因素和注射因素。皮肤主要由表皮层、真皮层、皮下组织/脂肪组成, 根据个人情况和身体部位不同, 皮肤各层厚度不一, 注射效果也会存在差异。皮肤的力学性质包括形容皮肤刚度的杨氏模量、硬度、皮肤孔隙率及密度。人体的生物力学的研究表明, 表皮、真皮及真皮最内层的杨氏模量分别为25、75、8kPa, 杨氏模量越大, 喷射流的穿透深度越小, 真皮层是喷射流穿透皮肤的主要屏障, 需要较高的注射功率才能到达皮下层。在低注射功率下(P<1.5W), 注射深度较浅, 高注射功率下(P>9W), 其注射深度较深。因此, 为了获得喷射流的最佳输送效果, NFJI的设计参数应根据皮肤中的目标层来选择, 并考虑到皮肤的力学性能。
影响注射效果的注射因素包括喷射流的速度分布、注射药物的化学性质、皮肤的力学性质及喷嘴出口到皮肤表面的距离。喷射流的速度分布取决于许多因素, 如驱动力、待注射药物的体积、喷嘴直径、注射药物的密度和黏度、药物室大小等。喷射流的穿透特性取决于其撞击皮肤表面时的速度和直径, 常用的NFJI通过活塞在0.5ms左右的时间内将压力增加至约4000psi, 使喷射流的速度超过100m·s-1。喷射流通常是湍流, 其雷诺数通常在万级单位, 直径与喷嘴直径相当。注射时间通常取决于单次注射的体积, 但喷流室的压力和平均射流速度不受喷嘴中体积的影响。喷射流的速度特性也可以量化为其到达皮肤表面的速度和直径, 因此许多研究人员使用喷射功率[方程式(5)]和最大滞止压力(peak stagnation pressure, PSP)[方程式(6)]作为量化指标。PSP是流体力学概念, 评价注射过程中微射流和皮肤组织之间的最大能量转换。PSP大于15MPa时, 高速射流能够刺穿皮肤表面的角质层, 其大小和初始注射深度成正比。理想状态下, 喷嘴尖端应与皮肤表面直接接触, 为了避免交叉感染, 在喷嘴尖端增加了“针套”结构, 使皮肤表面到喷嘴产生了间隙。射流的直径可能随着间隙距离的增加而增加, 并可能影响皮肤表面上的停滞压力, 这种扩散的特性很可能是导致疼痛与擦伤的原因。
其中, ρ为流体密度, D和U分别为喷射流的直径和速度。
5、NFIT的局限性及未来的发展方向
尽管NFIT现已广泛应用于糖尿病管理和疫苗接种等领域, 在部分领域展现出应用潜力, 但目前NFIT的研究仍有相对的局限性, 主要包括以下几个方面: ①药物射流在皮肤内形成孔的体积率小于进入皮肤的总体积率时, 可以观察到注射回流; ②注射过程中皮肤上孔的大小和形状尚无法准确预测, 尚未明确注射过程中导致的皮肤损伤的机制, 如偶尔的疼痛、血肿、瘀伤、水肿和出血增加等; ③大多数NFIT的基本机制研究都是在体外进行, 实验材料为凝胶等合成材料、猪背部皮肤甚至尸体皮肤, 体内研究的实验较少, 不能系统确定穿透机制; ④体外研究表明, NFIT的喷射穿透效果很大程度上受皮肤的力学性质影响, 在不同人群及不同注射部位有显著差异; ⑤目前NFJI成本较高, 尚无统一的规格, 无法应用于静脉注射; ⑥与传统注射相比, NFIT注射大分子药物时剪切力高, 可能会降低其稳定性, 使其失活; ⑦应用NFIT于基因传递和免疫时, 尚不清楚在细胞水平上对皮肤的影响, 尤其在递送遗传物质时, 可能会造成重大影响; ⑧与传统针头注射相比, 预充式NFJI的发展仍然有限, 大部分药物装载方式并无显著提升, 患者使用体验提升有限。
未来在NFIT领域研究的方向主要包括: ①构建体内体外相一致的喷射流模型, 系统地评估影响喷流穿透深度及皮肤成孔大小形状的因素, 协助研究者正确理解各种参数与注射效果的关系, 准确预测NFIT递送的药物的穿透模式, 从而确定疼痛和局部不良反应的发生机制; ②由于不同患者不同部位皮肤特异性相差很大, NFIT需要减少这种特异性带来的影响, 提供更为一致的注射效果; ③加大对注射过程实时可控的NFJI的研发, 降低或控制不良反应的发生; ④关注蛋白、核酸等大分子药物递送过程的研究, 探索影响其治疗作用的机制; ⑤着眼可实现预充装载的药物品类的设计探索, 简化使用者的操作方式, 丰富应急救援的药物品类; ⑥简化NFJI的制造工艺, 以降低总体成本, 为家庭疾病管理和医疗保健提供个性化的服务。
本文作者张郃、程艺、王增明、刘楠、李蒙、张慧、郑爱萍，军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所、联勤保障部队第九〇九医院/厦门大学附属东南医院药剂科，来源于药学学报，仅供交流学习。
